Физики из Австралийского национального университета разработали самый чувствительный метод измерения потенциальной энергии атома (в пределах одной сотой дециллионной доли джоуля — или 10–35 джоулей) и использовали его для проверки одной из ниболее проверенных теорий. в физике — квантовая электродинамика (КЭД).
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Science, основано на определении цвета лазерного излучения, при котором атом гелия невидим, и является независимым подтверждением предыдущих методов, используемых для тестирования КЭД, которые включали измерение переходов из одного энергетического состояния атома в другое.
«Эта невидимость предназначена только для определенного атома и определенного цвета света, поэтому ее нельзя использовать для изготовления мантии- невидимки , которую Гарри Поттер использовал бы для исследования темных закоулков Хогвартса», — сказал ведущий автор Брайс Хенсон, доктор философии. .Д. студент Исследовательской школы физики АНУ.
«Но мы смогли использовать для исследования некоторые темные углы теории КЭД».
«Мы надеялись поймать QED, потому что ранее были некоторые расхождения между теорией и экспериментами, но он прошел с довольно хорошей оценкой».
Квантовая электродинамика, или КЭД, была разработана в конце 1940-х годов и описывает, как взаимодействуют свет и материя, объединяя как квантовую механику, так и специальную теорию относительности Эйнштейна таким образом, который оставался успешным в течение почти восьмидесяти лет.
Однако намеки на то, что теория КЭД нуждается в некотором улучшении, исходили из расхождений в измерениях размера протона, которые в основном были устранены в 2019 году.
Примерно в это же время ANU Ph.D. Ученый Брайс Хенсон заметил небольшие колебания в оченьфизика чувствительном эксперименте, который он проводил с ультрахолодным облаком атомов, известным как конденсат Бозе-Эйнштейна.
Он измерил частоту колебаний с рекордной точностью , обнаружив, что взаимодействие между атомами и лазерным светом изменяет частоту, поскольку изменяется цвет лазера.
Он понял, что этот эффект можно использовать для очень точного определения точного цвета, при котором атомы вообще не взаимодействуют с лазером, а колебания остаются неизменными, другими словами, фактически становятся невидимыми.
С помощью лазера чрезвычайно высокого разрешения и атомов, охлажденных до 80 миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля (80 нанокельвинов), команда достигла чувствительности в своих измерениях энергии, которая была на 5 порядков меньше, чем энергия атомов, около 10 – 35 джоулей, или разница температур около 10-13 градусов кельвина.
«Это настолько мало, что я не могу придумать ни одного явления, с которым можно было бы его сравнить — это так далеко от конца шкалы», — сказал Хенсон.
Благодаря этим измерениям команда смогла вывести очень точные значения невидимого цвета гелия. Чтобы сравнить свои результаты с теоретическим прогнозом для КЭД, они обратились к профессору Ли-Ян Тан из Китайской академии наук в Ухане и профессору Гордону Дрейку из Виндзорского университета в Канаде.
Предыдущие расчеты с использованием КЭД имели меньшую неопределенность, чем эксперименты, но с новой экспериментальной техникой, повышающей точность в 20 раз, теоретикам пришлось принять вызов и улучшить свои расчеты.
В этом поиске они добились более чем успеха — улучшив свою неопределенность всего до 1/40 последней экспериментальной неопределенности и выделив вклад КЭД в частоту невидимости атома, которая в 30 раз превышала неопределенность эксперимента. Теоретическое значение было лишь немного ниже экспериментального значения и в 1,7 раза превышало экспериментальную погрешность.
Руководитель международного сотрудничества, профессор Кен Болдуин из Исследовательской школы физики ANU, сказал, что усовершенствования эксперимента могут помочь устранить несоответствие, но также отточат необычный инструмент, который может пролить свет на КЭД и другие теории.
«Новые инструменты для точных измерений часто приводят к большим изменениям в теоретическом понимании в будущем», — сказал профессор Болдуин.
